杨晓卿1，朱建明1，张后胜2
（1.中国联合工程公司；2.杭州天骄舞台设备科技有限公司，浙江 杭州 310000）
摘 要：本项目要研制的是立体仓库中搬运超长不锈钢管件的大跨度智能精密机械手。新型立体仓库智能机械手的行走、升降、旋转、定位以及控制系统是一种全新结构。它扩大了传统立体仓库堆垛机的功能，极大的满足了市场上对长细物料仓储运输的需求。
关键词：机械手；大跨距；齿轮-齿条；伺服系统；工业4.0
本项目的载体是国内某大型不锈钢生产基地用来存取长度36m、最小直径12mm的成组不锈钢管。区别于传统堆垛机在立体仓库的巷道中来回穿梭运动，本项目中的机械手是高架式的，不占用地面空间，高精密智能机械手在空中完成成组钢管的自动入库和出库的功能。
智能机械手承担着成组钢管的自动入库和出库的功能，是进出辊道与多层立体料架之间存取的关键设备。本设备由高架轨道、机体、水平行走装置、叉臂升降装置、叉臂及其旋转装置、车轮装置、靠轮装置、供电装置及电气控制系统等组成。
由于最小直径钢管仅为12mm，长度则达36000mm，设定智能机械手的跨度为39000mm，在搬运钢管过程中，必须保证设备在跨距左右偏差小于最小钢管半径。因此要求设备左右行走车轮的同步精度必须保证在±5mm ；为了尽可能多的存储物料，所以叉臂的升降精度必须保证在±5mm；同时叉臂设计成能旋转180°，达到在料架上左右存取物料的目的。
2.1 工况技术参数
单批装料宽度：750mm，单批料最大重量：2500kg。
2.2 设备技术参数
叉臂数量：30个；大车水平行程：～42000mm；大车行走速度：0～30m/min；叉臂升降行程：2500mm；叉臂升降速度：0～8 m/min；叉臂转向时间：6s；水平行走定位精度：±5mm；机械手轨道中心距：39000mm；升降定位精度：±5mm；叉臂转向时间：6s。
2.3 架高轨道
架高轨道安装在多层立体料架库区两侧，起支撑智能机械手的作用。架高轨道由轨道支架和轨道装置组成。每侧轨道支架由9根立柱和一根轨道梁组成。由型钢和钢板焊接而成。轨道装置安装在轨道支架上，轨道为自制的方形轨道，可以提高承载能力，更便于安装导向靠轮。轨道分段制作，方便运输安装。
2.4 机械手机架
机架为智能机械手的主体，其中水平行走装置、托臂升降装置及托臂旋转装置均安装在其上。机体由一个主跨梁和两个端梁组成。
（1）主跨梁的设计。整个装出料机械手跨度为39000mm，主跨梁长度设计为39500mm，为了便于制造和运输方便，主梁共分3段设计，每段长度分别为13195mm、13090mm、13195mm相互之间采用特殊的连接结构（内圆外方）连接，然后再焊接。主梁截面设计为箱型结构，由上下翼板和腹板组成（图1）。考虑到受压翼缘板的稳定性，在截面内部设置纵向加劲板；为了抵抗扭转载荷引起的箱型截面的周边扭转变形和向一边侧倾，在箱型内设置横向加劲板，横向加劲板中间开孔，开孔的横向加劲板与腹板及上翼板焊接。整个主梁采用简支梁计算，计算结果见图2 。
图1 主梁截面
图2 计算结果
图3 叉臂旋转装置安装图
由于是大跨距设计，为了保证整个机械手正常工作，每个托臂能同时提起钢管，主梁设置上拱，上拱高度则根据其变形量来确定。上述计算结果最大变形量为59.15835mm，主梁制作的上拱高度则根据其最大变形量及实际经验来确定，我们在主梁中部设定的上拱高度为80mm，其余各点的拱值为二次抛物线，即x。其中L为主梁长度，x为主梁上的点到支点的距离。
（2）端梁的设计。端梁截面采用箱形结构，并在水平面内与主梁刚性连接。端梁的两头设计成适合角轴承箱安装的形式。每个车轮组整体定位焊接在端梁末端，采用这种安装方式端梁不需要机械加工，安装维修简单方便。
2.5 行走传动装置
为了保证跨度39000mm的两端车轮行走的同步精度在±5mm，采用在大梁中部设置伺服电机减速机集中驱动，通过轴、联轴器、轴承座传递到齿轮，再通过齿轮齿条驱动车轮，齿条安装在轨道旁边，确保左右车轮同步及定位准确性，采用伺服系统控制电机行走；采用编码器定位，接近开关校核的方式确保定位准确。
2.6 叉臂升降装置
叉臂升降装置负责将管料提起放下，并确保管料不变形的情况下，合理设置了30组叉臂，叉臂间距为1200mm，叉臂安装在升降装置的横梁上，升降装置的升降架上共设置12只导轮，分别在6条轨道上可作上下移动。由伺服电机、减速机集中带动布置在轴上的齿轮，通过齿轮啮合、齿轮齿条啮合，实现提升下降。共设置4对齿轮齿条。
2.7 叉臂及其旋转装置
由于要在料架两侧都能取放料，要求叉臂必须转向，转向装置采用齿轮齿条传动实现，每个叉臂转轴上设置一个齿轮，在齿轮边设置一长齿条，齿条一端设置电动推杆。为了减小30个叉臂在传动中产生的累积偏差，在叉臂梁的两端各设置一个电动推杆，电动推杆推动齿条，带动齿轮正转和反转，实现30个叉臂同时在-90°～+90°范围转向，完成立体料架双侧取放料如图3。
2.8 自动化控制系统
智能机械手自动化控制系统是为了完成对智能机械手所有设备的检测、控制和操作过程，实现设备操作和维护的安全性、可靠性及方便性。它是由一个以PLC为主的基础自动化系统以及相对应的HMI组成，CPU采用S7-412-2 PN；采用由计算机、WINCC工控软件组成的人机界面系统（HMI），对整个智能机械手设备进行在线监视操作；通过TCP/ IP协议与L2进行实时的通讯，并且通过Profibus现场总线把整个设备整合成一个现场总线网络。
智能机械手自动化控制系统设有远程I/O站2个。一个在操作室操作台内，负责按钮指示灯的输入和输出，使得所有的操作都在操作台上完成。另外一个在智能机械手大车大梁上，采集现场的各种信号，并输出各种动作。
远程I/O站采用西门子ET200M系统，它使用S7-300 可编程序控制器的信号模块，功能模块和通讯模块进行扩展。针对设备定位要求高的特点，我们选用的是西门子最新的SINAMICS S120系列变频器以及西门子1FT7系列伺服电机构成一整套的伺服控制系统，以达到精确定位的功能。
此外，为了预警智能机械手行走车轴和升降车轴断裂风险，还在4个车轮尾端安装了倍加福的旋转编码器，实时监测车轮的速度。
依托某大型不锈钢生产基地为载体的智能机械手及多层立体料架项目，在项目的验收考核中，各项指标都符合设计要求，顺利通过验收。目前国内生产不锈钢换热管，大多是采用行车加吊具工装形式来实现搬运存储，这种方式不仅生产效率低下，且易使钢管产生塑性变形。所以不管是从不锈钢换热管产品技术升级，还是顺应工业4.0的趋势，用于不锈钢换热管的大跨距精密机械手都具有广泛的市场前景。
参考文献：
[1]张质文，虞和谦，王金诺，包起帆.北京 《起重机设计手册》.中国铁道出版社,2001.
[2]钢结构设计手册编委会.钢结构设计手册.中国建筑工业出版社,2004.
中图分类号：TP241
文献标识码：A
文章编号：1671-0711（2017）04（下）-0083-02
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